基于几何结构的箱式干燥装置的优化设计、数值模拟及试验研究

摘要

干燥涉及到国民经济广泛领域，是一项高能耗过程，大多数发达国家的干燥耗能占全国总能耗的7％-15％，而且干燥行业热效率普遍不高，仅为25％-50％，大部分能源被浪费，所用能耗占国民经济总能耗的12％左右。
　　箱式干燥装置因其结构简单，成本低廉，维修方便等优点，现仍被广泛应用于干燥行业，特别是食品水果干燥。但是传统箱式干燥装置存在气流组织分布不均匀的缺点，为了改善箱内气流组织分布不均匀性，本文采用CFD技术，从两个方面考虑，一方面基于几何结构，通过模拟研究进风口位置、出风口位置、静压箱及倾斜角角度对箱式干燥装置内部气流组织的影响，另一方面研究不同送风工况即不同的入口风速和不同的入口温度对箱式干燥装置内部流场的影响。
　　在本文中，为了改善干燥装置内部空气的速度及温度分布均匀性，综合不同结构形式对箱式干燥装置内部气流组织的影响因素（静压箱，变截面，倾斜角角度，进风口位置，出风口位置），本文设计了七种几何形状不同的水果箱式干燥装置，并采用Gambit将七种箱式干燥装置进行建模，导入Fluent进行计算，得到的图像导入Tecplot进行后处理分析。模拟结果表明:内置变截面静压箱有助于改善箱式干燥装置的气流组织情况，并且当变截面倾斜角为4°，进风口速度为2m/s时，热质交换区内部的平均风速为0.76m/s，而传统箱式干燥装置只有0.42m/s，另外，进风口及出风口的位置对干燥装置内部气流分布也有影响，上进中出风最佳。进一步的，本文研究了在新设计的干燥装置中不同的入口速度（1m/s，2m/s和3m/s）和不同的入口温度(313K，323K和333K)对内部流场分布的影响。结果表明，在新设计的箱式干燥装置中，当进口风速为2m/s，温度为323K时，干燥装置内部的流场最均匀。
　　根据数值模拟分析结果，进行了箱式干燥装置的空载和负载无花果的干燥试验，通过实际运行中的速度和温度参数进行采集和分析，并与模拟数值进行对比发现，两者在数值变化趋势上基本呈现一致性，结果表明新设计的箱式干燥装置能很好的改善箱式干燥装置内部的气流分布不均匀缺点，对实际的箱式干燥装置的设计和推广能有一定的指导和参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究关于箱式干燥装置的现状

1．2．2 国内研究关于箱式干燥装置的现状

1．3 影响干燥装置内部产品因素

1．3．1 干燥方式对干燥产品的影响

1．3．2 送风工况对干燥产品的影响

1．3．3 几何结构对箱式干燥装置的影响

1．4 研究内容

1．4．1 本课题研究的内容

1．5 本章小结

第2章 箱式干燥装置和数值模拟理论基础

2．1 箱式干燥理论基础

2．1．1 湿空气的基本性质

2．1．2 干燥物料的性质

2．2 箱式干燥装置分类和结构

2．2．1 水平气流箱式干燥装置

2．2．2 穿流气流箱式干燥装置

2．2．3 真空箱式干燥装置

2．3 CFD数值模拟理论基础

2．3．1 CFD的简介及软件结构

2．3．2 CFD在食品干燥过程中的应用

2．4 本章小结

第3章 多孔介质模型及干燥箱内的热湿耦合数学模型

3．1．2 多孔介质数值模型设置

3．2 干燥箱内的热湿耦合数学模型

3．2．1 质量守恒方程

3．2．2 动量守恒方程

3．2．3 能量守恒方程

3．2．4 水分迁移方程

3．3 本章小结

第4章 箱式干燥装置数值模拟及分析

4．1 物理模型的建立和网格的划分‘

4．1．1 物理模型的建立

4．1．2 网格的划分

4．2 模型边界条件和初始条件的设置

4．2．1 干燥模型的进、出口边界条件

4．2．2 干燥模型的多孔介质区域条件

4．2．3 壁面条件Wall的设置

4．3 模拟结果分析

4．3．1 箱式干燥装置几何结构对内部气流组织的模拟结果与分析

4．3．2 不同送风工况对箱式干燥装置内部气流组织分布影响

4．4 本章小结

第5章 箱式干燥装置试验及分析

5．1 试验设备和测点布置

5．1．1 试验设备

5．1．2 试验测点布置

5．2 试验步骤

5．3 测试结果及数据分析

5．3．1 空载时箱式干燥装置内部流场分析

5．3．2 负载时箱式干燥装置内部流场分析

5．3．3 试验和模拟结果对比分析

5．3．4 负载时相对湿度分布

5．4 本章小结

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢